Cuando se piensa en la palabra robot a todos nos llega a la imaginación de mecanismos generalmente antropomórficos con prestaciones sobrehumanas, a veces malignos, maquiavélicos, otras veces simpáticos y serviciales, e incluso una herramienta domestica maravillosa que nos libera de todos los trabajos pesados y rutinarios del hogar o el trabajo ...
Antecedentes y evolución histórica
Conceptos generales sobre robótica
Antecedentes y evolución histórica
Desde la antigüedad, el hombre ha sentido fascinación por maquinas que imitan movimientos, acciones, funciones o actos de los seres vivios. La realización de mecanismos a través de dispositivos hidraulicos o mediante poleas, palancas, tornillos, engranajes, levas y resortes ha sido constante desde tiempos antiguos, en incluso algunos fueron descritos en la mitología clásica y oriental.
Dédalo construyó estatuas que se movían solas. Arquímedes, descubrió su famoso principio e inventó la leva, resorte y el tornillo sin fin que lleva su propio nombre. Heron de Alejandría, en su "Tratado de Pneumática", describe aves que vuelan, gorgojean y beben. Algunos de estos dispositivos fueron ya conocidos por Ctesibio.
En la Alta Edad Media fueron los artesanos, sobre todo los del gremio de relojería, los que construyeron autómatas de figuras humanas o de animales que tenían toda la semblanza de moverse como si estuvieran vivos y capaces de generar sonidos.
El Renacimiento con la mejora del progreso tecnológico, derivado sobre todo en el campo de la relojería, fueron muy importantes. Famosos son el León animado y autómatas de funcionamiento cíclico gobernado por tambores de púas construidos por Leonardo da Vinci.
En el siglo XVIII, el francés Jacques de Vaucanson construyó una serie de celebres autómatas como músicos de tamaño humano o el pato expuesto en París en 1738. Esencialmente se trataba de robots mecánicos diseñados para un propósito específico: la diversión, principalmente de la corte o, eventualmente, motivo de atracción de las ferias .
En 1805, Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos. Una serie de levas se utilizaban como ‘ el programa ’ para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar. Éstas creaciones mecánicas de forma humana deben considerarse como inversiones aisladas que reflejan el genio de hombres que se anticiparon a su época. Hubo otras invenciones mecánicas durante la revolución industrial, creadas por mentes de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la producción textil. Entre ellas se puede citar la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785), el telar de Jacquard (1801), y otros.
Algunos de los primeros robots empleaban mecanismos de realimentación para corregir errores, mecanismos que siguen empleándose actualmente. Un ejemplo de control por realimentación es un bebedero que emplea un flotador para determinar el nivel del agua. Cuando el agua cae por debajo de un nivel determinado, el flotador baja, abre una válvula y deja entrar más agua en el bebedero. Al subir el agua, el flotador también sube, y al llegar a cierta altura se cierra la válvula y se corta el paso del agua.
El primer auténtico controlador realimentado fue el regulador de Watt, inventado en 1788 por el ingeniero británico James Watt. Este dispositivo constaba de dos bolas metálicas unidas al eje motor de una máquina de vapor y conectadas con una válvula que regulaba el flujo de vapor. A medida que aumentaba la velocidad de la máquina de vapor, las bolas se alejaban del eje debido a la fuerza centrífuga, con lo que cerraban la válvula. Esto hacía que disminuyera el flujo de vapor a la máquina y por tanto la velocidad.
El control por realimentación, el desarrollo de herramientas especializadas y la división del trabajo en tareas más pequeñas que pudieran realizar obreros o máquinas fueron ingredientes esenciales en la automatización de las fábricas en el siglo XVIII. A medida que mejoraba la tecnología se desarrollaron máquinas especializadas para tareas como poner tapones a las botellas o verter caucho líquido en moldes para neumáticos. Sin embargo, ninguna de estas máquinas tenía la versatilidad del brazo humano, y no podían alcanzar objetos alejados y colocarlos en la posición deseada.
El desarrollo del brazo artificial multiarticulado, o manipulador, llevó al moderno robot. El inventor estadounidense George Devol desarrolló en 1954 un brazo primitivo que se podía programar para realizar tareas específicas. En 1975, el ingeniero mecánico estadounidense Victor Scheinman, cuando estudiaba la carrera en la Universidad de Stanford, en California, desarrolló un manipulador polivalente realmente flexible conocido como Brazo Manipulador Universal Programable (PUMA, siglas en inglés). El PUMA era capaz de mover un objeto y colocarlo en cualquier orientación en un lugar deseado que estuviera a su
Pero ¿Que es un Robot ?. He aquí unas cuantas definiciones:
- Robot, máquina controlada por ordenador y programada para moverse, manipular objetos y realizar trabajos a la vez que interacciona con su entorno. Los robots son capaces de realizar tareas repetitivas de forma más rápida, barata y precisa que los seres humanos.
- Según el Robot Institute of América: “un manipulador multifuncional y reprogramable, diseñado para mover materiales piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programables y variables que permitan llevar a cabo diversas tareas”. Para realizar cualquier tarea útil el robot debe interactuar con el entorno, el cual puede incluir dispositivos de alimentación, otros robots y, lo más importante, gente. Consideramos que la robótica abarca no solamente el estudio del robot en sí, sino también las interfaces entre él y sus alrededores.
- Según el Oxford English dictionary: “un aparato mecánico que se parece y hace el trabajo de un ser humano”.
- Ingenio electrónico que puede ejecutar automáticamente operaciones o movimientos muy variados, y capaz de llevar a cabo todos los trabajos normalmente ejecutados por el nombre.
cronograma sobre la historia de la robótica
FECHADESARROLLOSigloXVIII.A mediados del siglo J. de Vaucanson construyó varias muñecas mecánicas de tamaño humano que ejecutaban piezas de música1801J. Jaquard invento su telar, que era una máquina programable para la urdimbre1805H. Maillardet construyó una muñeca mecánica capaz de hacer dibujos.1946El inventor americano G.C Devol desarrolló un dispositivo controlador que podía registrar señales eléctricas por medio magnéticos y reproducirlas para accionar un máquina mecánica. La patente estadounidense se emitió en 1952.1951Trabajo de desarrollo con teleoperadores (manipuladores de control remoto) para manejar materiales radiactivos. Patente de Estados Unidos emitidas para Goertz (1954) y Bergsland (1958).1952Una máquina prototipo de control numérico fue objetivo de demostración en el Instituto Tecnológico de Massachusetts después de varios años de desarrollo. Un lenguaje de programación de piezas denominado APT (Automatically Programmed Tooling) se desarrolló posteriormente y se publicó en 1961.1954El inventor británico C. W. Kenward solicitó su patente para diseño de robot. Patente británica emitida en 1957.1954G.C. Devol desarrolla diseños para Transferencia de artículos programada. Patente emitida en Estados Unidos para el diseño en 1961.1959Se introdujo el primer robot comercial por Planet Corporation. estaba controlado por interruptores de fin de carrera.1960Se introdujo el primer robot ‘Unimate’’, basada en la transferencia de articulaciones programada de Devol. Utilizan los principios de control numérico para el control de manipulador y era un robot de transmisión hidráulica.1961Un robot Unimate se instaló en la Ford Motors Company para atender una máquina de fundición de troquel.1966Trallfa, una firma noruega, construyó e instaló un robot de pintura por pulverización.1968Un robot móvil llamado ‘Shakey’’ se desarrollo en SRI (standford Research Institute), estaba provisto de una diversidad de sensores así como una cámara de visión y sensores táctiles y podía desplazarse por el suelo.1971El ‘Standford Arm’’, un pequeño brazo de robot de accionamiento eléctrico, se desarrolló en la Standford University.1973Se desarrolló en SRI el primer lenguaje de programación de robots del tipo de computadora para la investigación con la denominación WAVE. Fue seguido por el lenguaje AL en 1974. Los dos lenguajes se desarrollaron posteriormente en el lenguaje VAL comercial para Unimation por Víctor Scheinman y Bruce Simano.1974ASEA introdujo el robot Irb6 de accionamiento completamente eléctrico.1974Kawasaki, bajo licencia de Unimation, instaló un robot para soldadura por arco para estructuras de motocicletas.1974Cincinnati Milacron introdujo el robot T3 con control por computadora.1975El robot ‘Sigma’’ de Olivetti se utilizó en operaciones de montaje, una de las primitivas aplicaciones de la robótica al montaje.1976Un dispositivo de Remopte Center Compliance (RCC) para la inserción de piezas en la línea de montaje se desarrolló en los laboratorios Charles Stark Draper Labs en estados Unidos.1978El robot T3 de Cincinnati Milacron se adaptó y programó para realizar operaciones de taladro y circulación de materiales en componentes de aviones, bajo el patrocinio de Air Force ICAM (Integrated Computer- Aided Manufacturing).1978Se introdujo el robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assambly) para tareas de montaje por Unimation, basándose en diseños obtenidos en un estudio de la General Motors.1979Desarrollo del robot tipo SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic Assambly) en la Universidad de Yamanashi en Japón para montaje. Varios robots SCARA comerciales se introdujeron hacia 1981.1980Un sistema robótico de captación de recipientes fue objeto de demostración en la Universidad de Rhode Island. Con el empleo de visión de máquina el sistema era capaz de captar piezas en orientaciones aleatorias y posiciones fuera de un recipiente.1981Se desarrolló en la Universidad de Carnegie- Mellon un robot de impulsión directa. Utilizaba motores eléctricos situados en las articulaciones del manipula dor sin las transmisiones mecánicas habituales empleadas en la mayoría de los robots.1982IBM introdujo el robot RS-1 para montaje, basado en varios años de desarrollo interno. Se trata de un robot de estructura de caja que utiliza un brazo constituido por tres dispositivos de deslizamiento ortogonales. El lenguaje del robot AML, desarrollado por IBM, se introdujo también para programar el robot SR-1.1983Informe emitido por la investigación en Westinghouse Corp. bajo el patrocinio de National Science Foundation sobre un sistema de montaje programable adaptable (APAS), un proyecto piloto para una línea de montaje automatizada flexible con el empleo de robots.1984Robots 8. La operación típica de estos sistemas permitía que se desarrollaran programas de robots utilizando gráficos interactivos en una computadora personal y luego se cargaban en el robot.
Origen de la palabra robot
Robot, palabra emparentada con los términos germánicos arbi (herencia) y arbaiths (trabajo, faena, pena) y arbait (trabajo) equivalente en eslavo antiguo rabota (o robota) que en checo y polaco significa servidumbre o trabajo forzado. Otro término checo es robotnik que significa siervo.
El termino genérico de "robot" fue acuñado por el escritor novelista y dramaturgo checo Karel Kapek que lo utilizó por primera vez en una novela corta titulada "Opilec" y tres años mas tarde, en una comedia llamada “R.U.R.:Rossums`s Universal Robots” en la que la narración se refiere a un brillante científico llamado Rossum y su hijo, quienes desarrollan una sustancia química que es similar al protoplasma. Utilizan ésta sustancia para fabricar robots, y sus planes consisten en que los robots sirvan a la clase humana de forma obediente para realizar todos los trabajos físicos. Rossum sigue realizando mejoras en el diseño de los robots, elimina órganos y otros elementos innecesarios, y finalmente desarrolla un ser ‘ perfecto ’. El argumento experimenta un giro desagradable cuando los robots perfectos comienzan a no cumplir con su papel de servidores y se rebelan contra sus dueños, destruyendo toda la vida humana.
Entre los escritores de ciencia ficción, Isaac Asimov contribuyó con varias narraciones relativas a robots, comenzó en 1939, a él se atribuye el acuñamiento del término Robótica. La imagen de robot que aparece en su obra es el de una máquina bien diseñada y con una seguridad garantizada que actúa de acuerdo con tres principios.
Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robótica, y son:
1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacción, que un ser humano sufra daños.
2. Un robot debe de obedecer las ordenes dadas por los seres humanos, salvo que estén en conflictos con la primera ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto con las dos primeras leyes.
Consecuentemente todos los robots de Asimov son fieles sirvientes del ser humano, de ésta forma su actitud contraviene a la de Kapek.
Clasificación de los robots
Una forma de clasificar los robot es por los factores de caracterizar el comportamiento y las propiedades funcionales que posee. Esto se puede englobar en 4 atributos.
- Movilidad: muy fuertemente asociada a su morfología indica la capacidad de movimiento y las características de su comportamiento dinámico. Puede referirse al conjunto del robot o limitarse al ámbito de cualquier subsistema estructural del robot (cuerpo, brazos o elementos terminales).ÁMBITO-CONJUNTO-BRAZOS-ELEMENTOS TERMINALESTIPO-ARTICULARNUMERO DE ARTICULACIONESNATURALEZA DE LAS ARTICULACIONESCONFIGURACIÓN-TRASLACIONALCONFIGURACIÓNDESLIZANTE, RULANTE, REPTANTE, CAMINADORA...CONDICIONANTESNUMERO DE LIGADURASNATURALEZA LIGADURASCARACTERÍSTICAS-GEOMÉTRICAS: grados libertad, alcance, accesibilidad,...-ESTÁTICAS: repetitividad, precisión, deformaciones,...-CINEMÁTICAS: velocidad, aceleración,...-DINÁMICAS: rebasamiento, precisión, esfuerzo, acomodación activa, capacidad de mantener el equilibrio,...
- Gobernabilidad: capacidad para ser controlado y mandado desde el exteriorTIPO-POR PROGRAMA (Programabilidad)-POR MANDO (Manejabilidad)MODO-GESTUALACCIONES HOMO MÓRFICASTELE OPERACIÓN-TEXTUALESCRITAORALNIVEL-ESPECIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES-DESCRIPCIÓN DE LOS OBJETOSFUNCIONAMIENTO-INDIVIDUAL-COORDINADO
- Autonomía: facultad de autogobiernoCAPACIDAD SENSORIAL-EXTEROCEPTIVA-MEDICIÓN DE PARÁMETROS (distancia, posición,...)-PERCEPCIÓN DE FORMAS (visuales, acústicas, táctiles, ...)-PROPIOCEPTIVA (posición, velocidad, esfuerzo, ...)CAPACIDAD DE DECISIÓN-PLANIFICACIÓN-REACCIÓN FRENTE A EMERGENCIAS-ERRORES-IMPREVISTOSCAPACIDAD DE APRENDIZAJECAPACIDAD DE ADAPTACIÓNCAPACIDAD DE COOPERACIÓN
- Polivalencia: capacidad para ejecutar con eficacia tareas mas o menos diferentes.
VERSATILIDAD -DENTRO DE UNA GAMA DE TAREAS -PARA DIFERENTES GAMAS DE TAREA ADECUACIÓN (Eficacia en las diferentes tareas) ÁMBITO -DEL CONJUNTO -DE LOS BRAZOS -DE LOS ELEMENTOS TERMINALES
Otra es por su morfología, ya que su forma la estructura de los robots condicionan en gran manera su funcionamiento y prestaciones como el campo de aplicación:
- Arquitectura: define la configuración general del robot.
TIPO POLIARTICULADOS: robots sedentarios (o guiados para hacer desplazamientos limitados) y estructurados para mover sus elementos terminales en un determinado espacio de trabajo segun uno o más sistemas de coordenadas y con un numero limitado de grados de libertad. MÓVILES: robots con gran capacidad de desplazamiento, basados en carros o plataformas y dotados de un sistema locomotor de tipo rodante o rulante. Siguen su camino por telemando o guiándose con la información recibida de su entorno a través de sus sensores. ANDROIDES: robots que intentan reproducir total o parcialmente la forma -antropomorfismo- y el comportamiento cinemático del ser humano. ZOOMÓRFICOS: robots que intentan reproducir total o parcialmente la forma y el comportamiento cinemático del reino animal. Los androides se pueden considerar como una subclase de este tipo de robots. Hay que distinguir entre 2 categorías, caminadores y no caminadores. HÍBRIDOS: robots de difícil clasificación se puede considerar como una combinación de tipos anteriores, ya sea por conjunción o yuxtaposición de varios tipos en un mismo robot. NATURALEZA FIJA METAMÓRFICA: capacidad de cambio de la capacidad de configuración por el propio robot, ya sea desde el cambio de una herramienta o una garra hasta el cambio o alteración de algunos de sus elementos o subsistemas estructurales. - Subsistemas estructurales: se compone del cuerpo, los brazos, el sistema locomotor y los elementos terminales. La combinación de estos componentes puede configurar cualquier robot desde el punto de vista del "esqueleto" metálico.
CUERPO ESTRUCTURA ELEMENTOS RÍGIDOS BRAZOS CONFIGURACIÓN CARTESIANA POLAR CILÍNDRICA ANGULAR MIXTA CONSTITUYENTES BARRAS ARTICULACIONES SIMPLES COMPUESTAS DISTRIBUIDAS BASE SISTEMA LOCOMOTOR CONFIGURACIÓN DESLIZANTE RODANTE CAMINADORA RULANTE OTRAS CONSTITUYENTES BARRAS ARTICULACIONES ELEMENTOS RODANTES Y RULANTES ELEMENTOS TERMINALES CLASE PRESIÓN PRINCIPIO DE ACTUACIÓN (mecánico, succión, electromagnetismo,...) CATEGORÍA todo/nada progresivo CON/SIN RETORNO SENSORIAL HERRAMIENTA/UTILLAJE MEDICIÓN/DETECCIÓN ACOPLAMIENTO INTEGRADO INTERCAMBIABLE ACCIÓN EXTERIOR AUTÓNOMAMENTE CONSTITUYENTES - Subsistemas funcionales: Unidades operativas que "animan" al robot, dotándole de movimiento, percepción y de capacidad de actuación o "inteligencia".
SISTEMA DE ACCIONAMIENTO ELEMENTOS MOTORES TIPO ROTATIVO LINEAL MODO TODO-NADA PASO A PASO CONTINUO NATURALEZA ELECTROMECÁNICA HIDRÁULICA PNEUMÁTICA OTRA TRANSMISIÓN SISTEMA SENSORIAL FUNCIONAL EXTEROCEPTIVA PROPIOCEPTIVA CLASE: Visión, Tacto, Posición, ... CONSTITUYENTES ELEMENTOS DE ADQUISICIÓN ELEMENTOS DE TRATAMIENTO HARDWARE SOFTWARE SISTEMA DE CONTROL ORGANIZACIÓN/JERARQUÍA NIVELES CONSTITUYENTES HARDWARE
Robótica Industrial: Conceptos y Definiciones
Robot industrial es el conjunto diverso de dispositivos cuyo nexo común es el hecho de tratarse de artificies mecánicos destinados a la manipulación y dotados de algún grado de libertad en sus movimientos.
Los dispositivos mecánicos deben ser capaces de efectuar operaciones diferentes sin necesidad de llevar a cabo cambios importantes en los mismos.
Manipulador: Mecanismo compuesto generalmente de elementos en serie, articulados o deslizantes entre si, cuyo objetivo es el agarre y el desplazamiento de objetos siguiendo diversos grados de libertad. Es multifuncional y puede ser mandado directamente por un operador humano o por cualquier sistema lógico (levas, lógica pneumática, lógica eléctrica cableada o bien programado).
Robot industrial: Manipulador automático, con servosistemas de posición, reprogramable, polivalente, capaz e posicionar y orientar materiales, piezas, útiles o dispositivos especiales a lo largo de movimientos variables y programables para la ejecución de tareas variadas.
Se presenta a menudo bajo la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de mando utiliza, esencialmente, un dispositivo de memoria y , eventualmente, de percepción y de adaptación al entorno y a las circunstancias.
Estas máquinas polivalentes son generalmente concebidas para ejecutar la misma función de manera cíclica y pueden ser adaptadas a otras funciones sin modificación alguna
